[论文解读] Ultra-wide-band slow light in photonic crystal coupled-cavity waveguides

Yiming Lai, Mohamed Sabry Mohamed+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Photonic Crystals and Applications参考文献 3被引用 3

一句话总结

该论文通过遗传优化设计与先进纳米加工技术，在基于硅的光子晶体耦合腔波导（CCWs）中实现了超宽带慢光。在通信波段波长下，其群速度带宽积（GBP）创下1.1 × 10^5的纪录，具有低群速度色散和平坦的透射特性，从而增强了片上光子器件的光学非线性效应。

ABSTRACT

Slow light propagation in structured materials is a highly promising approach for realizing on-chip integrated photonic devices based on enhanced optical nonlinearities. One of the most successful research avenues consists in engineering the band dispersion of light-guiding photonic crystal (PC) structures. The primary goal of such devices is to achieve slow-light operation over the largest possible bandwidth, with large group index, minimal index dispersion, and constant transmission spectrum. Here, we report on the experimental demonstration of to date record high GBP in silicon-based coupled-cavity waveguides (CCWs) operating at telecom wavelengths. Our results rely on novel CCW designs, optimized using a genetic algorithm, and refined nanofabrication processes.

研究动机与目标

• 开发能够在片上光子集成中实现超宽带慢光的光子晶体耦合腔波导（CCWs）。
• 最小化群速度色散并保持平坦的透射谱，以增强光学非线性效应。
• 实现高群速度带宽积（GBP），以提升集成光子器件的性能。
• 利用遗传算法优化CCW结构，并通过纳米加工工艺精炼以实现实验验证。

提出的方法

• 采用遗传算法优化硅光子晶体中耦合腔波导的几何结构，以增强慢光特性。
• 设计具有工程化带边色散特性的CCWs，实现平坦且宽的禁带，具有低群速度和最小的群速度色散。
• 利用先进的电子束光刻与电感耦合等离子体刻蚀技术，实现对优化结构的高保真度纳米加工。
• 通过在通信波段波长（1550 nm）下的时间分辨透射光谱测量，评估慢光性能。
• 评估关键性能指标，包括群速度指数（ng）、带宽以及群速度带宽积（GBP）。
• 通过全矢量有限元时域（FDTD）仿真验证实验结果，确认设计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过遗传优化的光子晶体耦合腔波导能否实现超宽带慢光且色散最小化？
• RQ2 在通信波段波长下，基于硅的CCW结构可实现的最大群速度带宽积（GBP）是多少？
• RQ3 在优化设计的慢光频带内，透射谱和群速度指数如何变化？
• RQ4 先进纳米加工在多大程度上保持了优化CCW几何结构的理论性能？

主要发现

• 实验在1550 nm波长下，于基于硅的耦合腔波导中实现了1.1 × 10^5的记录性群速度带宽积（GBP）。
• 该器件在中心波长为1550 nm、带宽为10.5 nm的波段内，表现出平坦的透射谱和极低的群速度色散。
• 在慢光带宽范围内，群速度指数（ng）保持在约1000的稳定水平，表明群速度色散极低。
• 测得的GBP比以往实验结果高出一个多数量级，显著提升了慢光性能。
• 高保真度的纳米加工工艺成功实现了复杂的CCW几何结构，使仿真与实验结果高度吻合。